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Die Erfindung bezieht sich auf eine
MOS-Transitor-Schutzschaltung und spezieller auf eine integrierte
MOS-Transistorschaltung, welche eine Schaltung einschließt, um einer Schädigung des
Gate-Oxids eines MOS-Transistors vorzubeugen, wenn die
Energiezufuhr abgeschaltet ist.
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Es ist bis jetzt bekannt, daß ein verhältnismäßig hohes
Potential, das an das Gate eines MOS-Transistors angelegt wird, einen
Durchschlag des Gate-Oxid verursacht. Dies führt zu einem
permanenten elektrischen Kurzschluß zwischen dem Gate und dem
Substrat, auf welchem der MOS-Transistor ausgebildet ist, wodurch
der MOS-Transistor zerstört wird.
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Das Gate-Oxid schlägt dann durch, wenn die Feldstärke über das
Gate, welches normalerweise Siliziumoxid ist, mehr als ungefähr
10&sup7; V/cm beträgt. Folglich tritt dann, wenn zum Beispiel 80-100
V an ein 80-100 nm dickes Gate-Oxid angelegt werden, ein
Durchschlagen auf. (Im Nachstehenden wird die Spannung, bei welcher
ein Durchschlagen auftritt, als dielektrische
Durchschlagspannung bezeichnet).
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Deshalb wird gewöhnlich eine schützende Eingangsschaltung,
welche für eine spannungsbegrenzende Funktion sorgt, an jedem
Signaleingangsanschluß eines integrierten
MOS-Transistor-Schaltungschips (MOS-IC-Chip) angebracht, die mit einem
MOS-Transistor-Gate verbunden ist.
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Es sind bis jetzt verschiedene Arten schützender
Eingangsschaltungen zur Anwendung gekommen, wie zum Beispiel auf den Seiten
96 - 101 in MOS/LSI Design and Application (Dr. William N. Cart
und Dr. Jack P. Mize; herausgegeben von Robert E. Sawyer und
John R. Miller: McGraw-Hill Book Company) und in dem US-Patent
Nr. Re. 27,972 für Daniel R. Borror u.a. gezeigt.
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Diese schützenden Eingangsschaltungen nutzen entweder die
Durchschlagspannung einer Zenerdiode oder die hohe Schwellenspannung
eines Dickoxid-Transistors, um für einen Schutz zu sorgen. Die
Schutzspannung (d.h. die Durchschlagspannung der Zenerdiode oder
die hohe Schwellenspannung des Dickoxid-MOS-Transistors) wird
auf einen Wert gesetzt, der niedriger als die dielektrische
Durchschlagspannung ist, bei welcher das Gate-Oxid durchschlägt.
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Trotz dieser schützenden Eingangsschaltungen treten Durchschläge
während der Handhabung (Versand, Prüfung, Zusammenbau der
Schaltungskarte usw.) auf, insbesondere bei hochintegrierten (LSI-)
Schaltungen als Folge von Stromstößen.
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Dieses Problem ist infolge der Tatsache bedeutsamer geworden,
daß die Gate-Oxid-Schichten in dem Maße immer dünner geworden
sind (z.B. 30 - 50 nm), in dem die Dichte der Elemente in
integrierte Schaltungen größer geworden ist.
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So ist die dielektrische Durchschlagspannung immer geringer
geworden, weil das Gate-Oxid immer dünner geworden ist; und im
Ergebnis dessen ist die dielektrische Durchschlagspannung
ungefähr gleich der oder gelegentlich noch niedriger als die
Schutzspannung geworden.
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Weiterhin tritt selbst dann, wenn die dielektrische
Durchschlagspannung höher als die Schutzspannung ist, ein Durchschlagen des
Gate-Oxids häufig auf, weil die schützende Zenerdiode oder der
schützende Dickoxid-MOS-Transistor nicht sofort reagiert, wenn
übermäßig hohe Stromstöße an den Signaleingangsanschlüssen
auftreten.
Deshalb findet ein Durschlagen des Gate-Oxids statt,
bevor die schützende Zenerdiode oder der schützende Dickoxid-
MOS-Transistor leitend wird. Die langsame Reaktion der
schützenden Zenerdiode oder des schützenden Dickoxid-MOS-Transistors
führt gelegentlich auch zu einem Durchschlagen der Zenerdiode
oder des Dickoxid-MOS-Transistors selbst.
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Das Durchschlagproblem tritt nicht nur bei
Eingangs-MOS-Transistoren auf, sondern auch bei Ausgangs-MOS-Transistoren.
Weiterhin tritt das Durchschlagproblem beim Handhaben viel öfter auf,
wenn die Leistungszufuhr abgeschaltet ist, als wenn die
Leistungszufuhr eingeschaltet ist.
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Tatsächlich tritt das Durchschlagproblem dann selten auf, wenn
die Leistungszufuhr eingeschaltet ist. Deshalb besteht eine
Notwendigkeit für eine Schutzschaltung für eine
MOS-Transistorschaltung, welche einen MOS-Transistor vor einem Durchschlagen
schützen kann, der durch übermäßig hohe Stromstöße verursacht
wird, insbesondere während der Handhabung, wenn die
Leistungszufuhr abgeschaltet ist.
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Eine alternative Herangehensweise an dieses Problem wird als
Beispiel durch die japanische Patentanmeldung Nr. 55-70071
dargestellt, welche eine Schutzschaltung für eine Schaltung
offenbart, die mindestens einen MOS-Transistor (4) der Art
beinhaltet, welcher einen Bereich hat, der gegenüber einer Schädigung
empfindlich ist, die durch ein zufälliges Aufbringen von
Streuspannungen an einen Anschluß (1) des MOS-Transistors (4)
verursacht wird, wenn der MOS-Transistor (4) nicht in Funktion ist,
wobei die Schutzschaltung eine Einrichtung (10) einschließt, die
mit dem Anschluß (1) verbunden ist und einen ersten Status hat,
wenn die Energiezufuhr eingeschaltet ist (d. h. wenn der MOS-
Transistor verwendet wird), in welchem Energie über die
Einrichtung nicht absorbiert wird, und einen zweiten Status, wenn die
Energiezufuhr abgeschaltet ist (d.h. wenn der MOS- Transistor
nicht benutzt wird), in welchem Energie der Streuspannungen über
die Einrichtung (10) absorbiert wird.
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Diese Erfindung zielt darauf ab, für eine verbesserte
MOS-Transistor-Schutzschaltung zu sorgen, welche für eine Integration
geeignet ist und bei welcher das Gate-Oxid eines Eingangs- oder
Ausgangs-MOS-Transistors vor einem Durchschlagen geschützt
werden kann, das durch übermäßig hohe Stromstöße verursacht wird,
wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist.
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Die Erfindung sieht eine MOS-Transistor-Schutzschaltung mit
einem ersten MOS-Transistor (TrI) mit einer Mehrzahl von
Anschlüssen; und einem Bereich vor, der bei abgestellter
Leistungszufuhr durch unbeabsichtigt auftretende Störspannungen
an einem Anschluß des MOS-Transistors beschädigt werden kann;
Schutzvorrichutngen mit einem zweiten MOS-Transistor (Trp) vom
Verarmungstyp mit einem Source-Drain-Weg, welcher zwischen dem
Anschluß und einer Bezugsspannung und einem Substrat verbunden
ist, wobei der zweite MOS-Transistor eine Schwellenspannung hat,
deren Polarität wechselt, wenn eine am zweiten
Transistorsubstrat angelegte Spannung variiert wird; und einer Schaltung
(20), welche eine Substratvorspannung erzeugt, die bei
angeschalteter Leistungszufuhr auf das Substrat angewandt wird,
wobei die Substratvorspannung einen Wert hat, der bewirken kann,
daß die Schwellenspannung ihre Polarität ändert, so daß der
zweite Transistor bei abgeschalteter Leistungszufuhr leitend und
bei angeschalteter Leistungszufuhr nichtleitend ist.
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Diese Erfindung erstreckt sich auch auf eine integrierte MOS-
Transistorschaltung, die eine solche Schutzschaltung
einschließt. Vorzugsweise ist die Einrichtung ein MOS-Transistor
vom Verarmungstyp, der als Schalter arbeitet, um den Anschluß
selektiv mit der Masse zu verbinden. Die Schutzschaltung kann am
Eingang zu oder am Ausgang aus der MOS-Transistorschaltung
verwendet werden.
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Es werden jetzt einige Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
bei welchen:
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Figur 1 ein Schaltschema einer MOS-Transistor-Eingangsschaltung
mit einer Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
die aus einem MOS-Transistor vom Verarmungstyp besteht;
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Figur 2 ein Schaltschema einer Schaltung für die Erzeugung eines
Steuerspannungspegels ist, die einen Steuerspannungspegel
erzeugt, der in der in Figur 1 veranschaulichten Schaltung
verwendet wird;
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Figur 2A eine Eingangs-MOS-Transistorschaltung mit einer
Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die
einen MOS-Transistor vom Verarmungstyp einschließt, der auf
alternative Weise geschaltet ist;
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Figur 3 ein Schaltschema ähnlich demjenigen ist, das in Figur 1
veranschaulicht ist, wobei ein Schutzwiderstand mit
eingeschlossen ist;
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Figur 4 ein Schaltschema einer Schaltung ähnlich der von Figur
3 unter Einschluß eines Kondensators ist;
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Figur 5A ein Schaltschema ähnlich dem von Figur 4 unter
Hinzufügen eines Transistors parallel zu dem Kondensator ist;
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Figur 5B eine Schaltung ähnlich der von Figur 5A mit einer
Vielzahl in Reihe geschalteter Transistoren ist, die einen einzelnen
Transistor ersetzen; und
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Figur 6 die Schutzschaltung von Figur 3 veranschaulicht, die mit
einer Ausgangs-MOS-Transistorschaltung verbunden ist.
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Figur 1 veranschaulicht einen MOS-Transistor und eine
Schutzschaltung gemäß einer typischen Ausführungsform dieser
Erfindung, wobei das Ganze als MOS-Transistor-IC-Chip ausgebildet
ist. Der MOS-Transistor mit Schutzschaltung schließt eine
Eingangs-MOS-Transistorschaltung 1 und ein Schutzmittel, wie
beispielsweise eine Schaltung 10 ein.
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Die Eingangs-MOS-Transistorschaltung 1 kann zum Beispiel eine
Inverterschaltung sein, welche einen N-Kanal-MOS-Transistor vom
Verarmungstyp (TrL) als Belastung und einen
N-Kanal-MOS-Transistor vom Anreicherungstyp (TrI) als Treiber einschließt. MOS-
Transistor TrL hat einen Drain, der mit einem positiven
Spannungspegel VDD (z.B. 5V) verbunden ist, eine Source und ein Gate,
das mit der Source verbunden ist. Die Schwellenspannung von
MOS-Transistor TrL beträgt zum Beispiel -2V. MOS-Transistor TrI
ist ein Ausgangs-MOS-Transistor, der einen Drain hat, der mit
der Source von Transistor TrL verbunden ist, eine Source, die
mit einem Bezugsspannungspegel VSS (z.B. Masse) verbunden ist und
ein Gate, das mit dem Signaleingangspegel 100 und mit einem
Bezugsspannungspegel VSS (z.B. Masse) über die Schutzschaltung 10
verbunden ist. Die Schwellenspannung von MOS-Transistor TrI
beträgt 0,8 V. Ein Eingangssignal Vin wird an das Gate von
Eingangs-MOS-Transistor TrI angelegt, und ein Signal, das mit Vin in
Beziehung steht, erscheint am Drain des Eingangs-MOS-Transistors
TrI und wird an einen anderen (nicht gezeigten) Transistor
angelegt.
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Die Schutzschaltung 10 schließt einen N-Kanal-MOS-Transistor vom
Verarmungstyp TrP ein. Transistor TrP hat einen Drain, der an
einem ersten Anschluß 11 mit dem Gate von
Eingangs-MOS-Transistor TrI verbunden ist, eine Source, die an einem zweiten
Anschluß 12 mit dem Bezugsspannungspegel VSS verbunden ist, und ein
Gate, das an einen dritten Anschluß 13 angeschlossen ist, um den
Steuersignalpegel VC zu empfangen. Die Schwellenspannung Vthp von
Transistor TrP beträgt zum Beispiel -2 V.
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Wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist (d.h. wenn keine Energie
der integrierten Schaltung zugeführt wird, in welcher die MOS-
Transistorschaltung ausgebildet ist), beispielsweise beim
Versand, dann wird das Steuersignal VC nicht an das Gate von MOS-
Transistor TrP geliefert. Deshalb wird die Spannung am Gate von
Transistor TrP im wesentlichen auf dem Wert Null gehalten.
Dementsprechend ist Transistor TrP leitfähig, wenn die
Energiezufuhr abgeschaltet ist, weil Transistor TrP vom Verarmungstyp
ist. Im Ergebnis dessen werden übermäßig hohe Stromstöße, die am
Signaleingangsanschluß 100 auftreten, schnell über Transistor
TrP abgeleitet, und das Gate-Oxid von Eingangs-MOS-Transistor
TrI wird vor einem Durchschlagen geschützt.
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Wenn die Energiezufuhr eingeschaltet ist (d.h. wenn Energie an
die integrierte Schaltung geliefert wird, in welcher die MOS-
Transistorschaltung ausgebildet ist), dann ist die Schaltung in
ihrer gewöhnlichen Funktion, und das Steuersignal VC wird an das
Gate des schützenden MOS-Transistors TrP geliefert.
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Der Wert von Steuersignal VC wird so gewählt, daß Transistor TrP
nicht-leitend gemacht wird. Bei dieser Ausführungsform ist
beispielsweise -3 V und hat die folgende Beziehung (für Nicht-
Leitung): VC - VSS < Vthp .
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Da nun Vthp -2 V ist, wird der MOS-Transistor vom Verarmungstyp
TrP nichtleitend gehalten, wenn die Energiezufuhr eingeschaltet
ist und beeinflußt dementsprechend nicht den Eingangs-MOS-
Transistor TrI.
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Es sollte beachtet werden, dar übermäßig hohe Stromstöße, welche
ein Durchschlagen des Gate-Oxids des Eingangs-MOS-Transistors
TrI verursachen könnten, im allgemeinen dann auftreten, wenn die
Energiezufuhr abgeschaltet ist und nur selten, wenn überhaupt,
wenn die Energiezufuhr eingeschaltet ist. Demgemäß kann ein
Durchschlagen des Gate-Oxids eines Eingangs-MOS-Transistors TrP
im wesentlichen vermieden werden, wenn das Gate-Oxid ausreichend
dann geschützt ist, wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist. Bei
der Ausführungsform von Figur 1 ist das Gate-Oxid von Eingangs-
MOS-Transistor TrI ausreichend geschützt, wenn die Energiezufuhr
abgeschaltet ist, weil die Schutzschaltung 10 das Gate von MOS-
Transistor TrI mit einem Bezugsspannungspegel VSS (z.B. Masse
oder 5 V) verbindet.
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Weiterhin wird ein p-n-Übergang (d.h. eine Zenerdiode) in
natürlicher Weise zwischen dem Drain des schützenden MOS-Transistors
TrP und dem Substrat, auf welchem der MOS-Transistor ausgebildet
ist, gebildet. Deshalb wird gegen ein Durchschlagen infolge
übermäßig hoher Stromstöße durch Zusammenbrechen dieses
p-n-Übergangs ebenfalls geschützt.
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Folglich wird, wie es für jene offensichtlich ist, die mit
dieser Technik vertraut sind, Transistor TrP benutzt, um Energie zu
absorbieren.
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Die Kapazität seines Substrats ist groß und in der Tat viel
größer als die Kapazität der Quelle des Stromstoßes,
typischerweise eines menschlichen Körpers (höchstwahrscheinlich wird der
Stromstoß durch jemanden verursacht, der den Eingangsanschluß
berührt). Deshalb ist die Spannung, die sich am Gate von
Transistor TrI entwickelt, verhältnismäßig gering, wenn Transistor TrP
leitet. Wenn der Transistor TrP nicht leitet, ist die Kapazität
eines Substrats verhältnismäßig klein, und folglich absorbiert
Transistor TrP keine nennenswerte Energie und beeinflußt
folglich die Schaltung nicht.
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Eine konventionelle schützende Eingangsschaltung, wie sie zum
Beispiel auf den Seiten 96 - 101 von MOS/LSI Design and
Application (Dr. William N. Carr und Dr. Jack P. Mize; herausgegeben
von Robert E. Sawyer und John R. Miller; McGraw-Hill Bock
Company) gezeigt wird, kann in Kombination mit der Schutzschaltung 10
verwendet werden.
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Das Steuersignal VC kann als externe Spannung von außen dem Chip
mit der integrierten MOS-Transistorschaltung geliefert werden,
auf welchem die Eingangs-MOS-Transistorschaltung 1 und die
Schutzschaltung 10 ausgebildet sind. VC kann jedoch auch
innerhalb des Chips erzeugt werden. Ein Substratspannungspegel (d.h.
eine Substratvorspannung) kann als VC benutzt werden, wenn eine
eine Substratspannung erzeugende Schaltung in dem Chip enthalten
ist. Die die Substratspannung erzeugende Schaltung selbst ist
allgemein bekannt, und ein Beispiel wird im US-Patent 3,806,741
für Frederic J. Smith offenbart.
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Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine ein Steuersignal erzeugende
Schaltung, die für ein Erzeugen von VC geeignet ist.
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Die das Steuersignal erzeugende Schaltung 2 hat grundsätzlich
denselben Aufbau wie die bekannte Schaltung zum Erzeugen der
Substratspannung, welche auch durch das Bezugszeichen 20 in
Figur3 gezeigt wird.
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Das heißt, die das Steuersignal erzeugende Schaltung 2 umfaßt
eine Oszillatorschaltung 21, einen Kondensator C&sub2; und einen N-
Kanal-MOS-Transistor vom Anreicherungstyp Tr21, der als
Gleichrichterkreis verwendet wird und einen weiteren N-Kanal-MOS-
Transistor vom Anreicherungstyp Tr22, der als Gleichrichterkreis
verwendet wird. Die Oszillatorschaltung 21 umfaßt zum Beispiel
drei Inverter 211, 212 und 213, die in Reihe geschaltet sind,
wobei der Ausgangsanschluß von Inverter 213 mit dem
Eingangsanschluß von Inverter 211 verbunden ist.
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Der Ausgangsanschluß von Inverter 213 ist auch mit einem
Anschluß von Kondensator C&sub2; verbunden. Der andere Anschluß von
Kondensator C&sub2; ist mit dem Drain und Gate von Transistor Tr21
verbunden, dessen Source mit einem Bezugsspannungspegel VSS (z.B.
Masse) verbunden ist. Der Drain von Transistor Tr21 ist mit
einem stromleitenden Anschluß (d.h. der Source oder dem Drain)
von Transistor Tr22 verbunden. Das Gate von Transistor Tr22 ist
mit dem anderen stromleitenden Anschluß (d. h. dem Drain oder
der Source) von Transistor Tr22 verbunden. Ein Ausgangssignal
(d.h. ein Konstantspannungs-Ausgangspegel) wird von dem anderen
Anschluß von Transistor Tr22 abgegeben und wird als Steuersignal
VC benutzt, welches zum Beispiel -3 V ist, wenn die Energiezufuhr
eingeschaltet ist, und im wesentlichen 0 V, wenn die
Energiezufuhr abgeschaltet ist.
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Die die Substratspannung erzeugende Schaltung 20 umfaßt die
Oszillatorschaltung 21, die bei dieser Ausführungsform
gleichzeitig von der Schaltung für das Erzeugen des Steuersignals 2
verwendet wird, einen Kondensator C&sub2;&sub0;, einen
N-Kanal-MOS-Transistor vom Anreicherungstyp Tr201, der als Gleichrichterkreis
verwendet wird, und einen weiteren N-Kanal-MOS-Transistor vom
Anreicherungstyp Tr202, der als Gleichrichterkreis verwendet
wird.
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Der Ausgangsanschluß von Oszillatorschaltung 21 ist mit einem
Anschluß von Kondensator C&sub2;&sub0; verbunden. Der andere Anschluß von
Kondensator C&sub2;&sub0; ist mit dem Drain und Gate von Transistor Tr201
verbunden, dessen Source mit einem Bezugsspannungspegel VSS (z.B.
Masse) verbunden ist. Der Drain von Transistor Tr201 ist mit
einem stromleitenden Anschluß (d. h. der Source oder dem Drain)
von Transistor Tr202 verbunden. Das Gate von Transistor Tr202
ist mit dem anderen stromführenden Anschluß (d. h. dem Drain
oder der Source) von Transistor Tr202 verbunden. Ein
Ausgangssignal (d. h. ein Konstantspannungs-Ausgangspegel) wird von dem
anderen Anschluß von Transistor Tr202 abgegeben und wird als
Substrat-Vorspannung Vsub verwendet, welche zum Beispiel -3 V
ist, wenn die Energiezufuhr eingeschaltet ist.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung offenbar wird, kann die
Substrat-Vorspannung Vsub direkt als Steuersignal VC verwendet
werden, insbesondere dann, wenn eine kleine Anzahl an
Transistoren in einer integrierten MOS-Transistorschaltung gefordert
wird. Es ist jedoch besser, ein Steuersignal VC zu verwenden,
welches unabhängig von einer Substrat-Vorspannung Vsub erzeugt
wird, wie in Figur 2 gezeigt, wenn es erforderlich ist, daß eine
MOS-Transistorschaltung schnell in einem stabilen Zustand
arbeitet, sobald elektrische Energie (eine Batterie) an die Schaltung
angeschlossen wird. Dies deshalb, weil dann, wenn Energie
zugeführt wird, die Substrat-Vorspannung Vsub nicht schnell genug
einen gewünschten Spannungspegel (z. B. -3 V) erreicht, der den
schützenden MOS-Transistor TrP nichtleitend macht, was die Folge
einer parasitären Substratkapazität ist, der verhältnismäßig
groß ist. Das heißt, der schützende MOS-Transistor TrP, welcher
sich abschalten sollte, wenn Energie zugeführt wird, kann
leitfähig bleiben, und es können Leckströme eine Zeitlang durch den
Transistor TrP fließen, nachdem elektrische Energie zugeführt
wird. Wenn das Steuersignal VC unabhängig von der
Substrat-Vorspannung Vsub erzeugt wird, dann erreicht VC schnell einen
gewünschten Spannungspegel (z.B. -3 V), weil das Steuersignal VC
nicht durch die große Kapazität eines Substrats beeinflußt wird.
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Bei MOS-Transistoren ist die Schwellenspannung Vth von der
Substratspannung abhängig. Speziell erhöht sich Vth, wenn die
Substratspannung stärker negativ wird. In vielen Fällen ist die
Substratspannung Null, und in dieser Anmeldung sind typische
Werte für Vth für die Substratspannung Null gegeben.
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Typischerweise ist für MOS-Transistoren vom Verarmungstyp Vth
negativ für alle Werte einer Substratspannung. Jedoch ändert
sich für bestimmte Transistoren vom Verarmungstyp Vth von einem
negativen Wert auf einen positiven Wert, wenn die
Substratspannung stärker negativ wird.
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Dies legt den Gedanken an eine Art und Weise der Nutzung der
vorliegenden Erfindung nahe, welche die Schaltung zur Erzeugung
des Steuersignals eliminiert, solange die
Substrat-Vorspannungs-Erzeugungsschaltung 20 verwendet wird, und diese
Ausführungsform ist in Figur 2A veranschaulicht. Bei dieser
Ausführungsform sind das Gate und die Source von Transistor TrP
miteinander verbunden. Transistor TrP muß ein Transistor vom
Verarmungstyp wie vorstehend beschrieben sein, dessen
Schwellenspannung Vth positiv wird, wenn die Substrat-Vorspannung
ausreichend negativ ist.
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Wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist, dann ist die Substrat-
Vorspannung 0, deshalb ist Vthp negativ. Da nun VC = VSS = 0, ist
die Bedingung für Nicht-Leitung, VC - VSS < Vthp, nicht erfüllt,
weshalb der Transistor TrP leitet. Wenn Energie zugeführt wird,
wird die Substratspannung erniedrigt, um zu bewirken, daß Vth
positiv wird. Da nun VC = VSS = 0, die Bedingung für
Nicht-Leitung, erfüllt ist, funktioniert Schutzschaltung 10 so, wie
vorstehend unter Verweis auf die vorangegangene Ausführung
beschrieben.
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Die in Figur 3 veranschaulichte Ausführungsform ist wegen des
Hinzufügens eines Schutzwiderstandes RP zwischen dem
Eingangsanschluß 100 und sowohl dem Gate von Transistor TrI, als auch
dem Drain von Transistor TrP von der vorangegangenen
Ausführungsform verschieden. Infolge der Ahnlichkeit finden dieselben
Bezugszeichen für entsprechende Elemente in Figur 1 und 3
Anwendung und wird deren Beschreibung weggelassen. Widerstand RP kann
beispielsweise ein Diffusionswiderstand sein, welcher einen
p-n-Übergang mit dem Substrat bildet. Der Widerstand RP hat
vorzugsweise 1 kX - 2 kX und funktioniert, um übermäßig hohe
Stromstöße zu dämpfen, welche am Anschluß 100 auftreten. Das
heißt, der Spannungspegel am Anschluß 11 ist geringer als die
Spannung am Eingangsanschluß 100, weil der Strom, welcher durch
Widerstand RP und Transistor TrP fließt, einen Spannungsabfall
über Widerstand RP verursacht. Deshalb wird das Gate-Oxid von
Eingangstransistor TrI in hohem Maße geschützt, und die
Schutzschaltung 10 selbst wird ebenfalls gegen ein Durchschlagen als
Folge der Stöße geschützt.
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Der Unterschied zwischen der Ausführungsform von Figur 3 und der
Ausführungsform von Figur 4 ist, daß die Schutzschaltung 10 in
Figur 4 eine Wechselschaltung 40 und einen Schalt-MOS-Transistor
TrS einschließt. Die Ausführungsform von Figur 4 hat im
wesentlichen dieselbe Anordnung und Funktion, wie jene von Figur 3 in
anderer Hinsicht. Dieselben Teile der Ausführungsform von Figur
4, wie jene der Ausführungsform von Figur 3 werden durch
dieselben Zahlen bezeichnet.
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Die Schutzschaltung 10 bei dieser Ausführungsform hat einen
ersten Anschluß 11, der mit einem Eingangsanschluß 100 über den
Schutzwiderstand RP verbunden ist, einen zweiten Anschluß 12, der
mit einem Bezugsspannungspegel (z. B. Masse) verbunden ist,
einen dritten Anschluß 13, um das Steuersignal VC zu empfangen,
und einen vierten Anschluß 14, der mit dem Eingangsanschluß 100
über den Schutzwiderstand RP verbunden ist.
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Das Gate des schützenden MOS-Transistors TrP ist mit einem
ersten Anschluß 41 der Wechselschaltung 40 verbunden. Die
Wechselschaltung 40 hat auch einen zweiten Anschluß 42, welcher mit
Anschluß 14 der Schutzschaltung 10 verbunden ist. Die
Wechselschaltung unterstützt die Änderung der Leitfähigkeit des
schützenden MOS-Transistors TrP in Übereinstimmung mit dem Betrag der
übermäßig hohen Stromstöße, welche am Eingangsanschluß 100
auftreten. Wechselschaltung 40 beinhaltet einen Kondensator CP, von
welchem ein Anschluß mit Anschluß 41 der Wechselschaltung 40
verbunden ist und ein anderer Anschluß mit Anschluß 42 der
Wechselschaltung 40 verbunden ist.
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Wenn übermäßig hohe Stromstöße am Eingangsanschluß 100
auftreten, wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist, dann ändert sich
das Spannungspotential an Anschluß 14 der Wechselschaltung 40
als Reaktion darauf. Dann ändert sich wegen Kondensator CP auch
das Spannungspotential am Gate des schützenden MOS-Transistors
TrP. Mit anderen Worten, die Spannung am Gate des schützenden
MOS-Transistors TrP wird groß, wenn die durch die Stöße
verursachte Spannung groß ist, und die Spannung am Gate wird klein,
wenn die durch die Stöße verursachte Spannung klein ist. Dies
bedeutet, daß die Leitfähigkeit des Source-Drain-Weges des
schützenden MOS-Transistors TrP ansteigt, wenn die Stoßspannung
zunimmt. Deshalb werden selbst dann, wenn größere Stöße
auftreten, wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist, die Stöße
schneller und leichter über den Source-Drain-Stromweg entladen, der
eine höhere Leitfähigkeit hat. Das heißt, das Gate von
Eingangs-MOS-Transistor TrI wird viel effektiver gegen ein
Durchschlagen geschützt.
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Weiterhin kann die Größe schützender MOS-Transistoren wegen der
größeren Leitfähigkeit geringer gemacht werden.
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Es erübrigt sich zu sagen, daß der Wert von Kondensator CP, die
Dicke des Gate-Oxids und die Schwellenspannung Vth von Transistor
TrP und der Wert des Schutzwiderstandes RP eines
Diffusionsbereichs entsprechend durch die Erwägung bestimmt werden, daß ein
Durchschlagen von MOS-Transistor TrP nicht auftreten sollte.
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Der Schalt-MOS-Transistor TrS ist zwischen das Gate des
schützenden MOS-Transistors TrP und Anschluß 13 der Schutzschaltung
10 geschaltet, um zu gewährleisten, daß die Wechselschaltung 40
wirksam arbeitet und so, daß der Wert von Kondensator CP leicht
gewählt werden kann. Der Schalt-MOS-Transistor TrS ist zum
Beispiel ein N-Kanal-Transistor vom Anreicherungstyp. Die
Schwellenspannung für den Transistor TrS beträgt beispielsweise 0,8 V.
Wenn Energie zugeführt wird, dann empfängt das Gate des Schalt-
MOS-Transistors TrS einen Spannungspegel (ein Signal) Va, welches
zum Beispiel der Spannungspegel VDD (z.B. 5 V) ist. Dies bewirkt,
daß Transistor TrS leitfähig ist, wenn Energie zugeführt wird,
und nichtleitend, wenn keine Energie zugeführt wird. Deshalb
wird der Gate-Spannungspegel des schützenden MOS-Transistors TrP
nicht durch die parasitäre Kapazität, welche zum Beispiel in der
das Steuersignal erzeugenden Schaltung 2 existiert, wie in
Figur 2 gezeigt, nicht beeinflußt; und der Gate-Spannungspegel
von Transistor TrP wird auf -3 V (= VC) gehalten, wenn Energie
zugeführt wird.
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Bei der Ausführungsform von Figur 4 wird aus der vorstehenden
Beschreibung offensichtlich, dar das Gate-Oxid von Eingangs-MOS-
Transistor TrI ausreichend geschützt wird, wenn keine Energie
zugeführt wird, weil die Schutzschaltung 10 so funktioniert, daß
das Gate des Eingangs-MOS-Transistors TrI mit einem
Bezugsspannungspegel VSS (z. B. Masse) verbunden wird, wenn keine Energie
zugeführt wird. Weiterhin wird als Reaktion auf Stromstöße die
Leitfähigkeit des schützenden MOS-Transistors TrP groß, und das
Gate von Eingangs-MOS-Transistor TrI wird infolge der
Wechselschaltung 40 wirksam gegen ein Durchschlagen geschützt. Auch
kann die Größe des schützenden MOS-Transistors wegen der
erhöhten Leitfähigkeit des schützenden MOS-Transistors TrP als
Reaktion auf Stromstöße gering gemacht werden.
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Wie leicht aus den Figuren offensichtlich wird, besteht der
Unterschied zwischen der Ausführungsform von Figur 4 und der
Ausführungsform von Figur 5A im Hinzufügen des MOS-Transistors
TrC zur Wechselschaltung 40. Ansonsten hat die Ausführungsform
von Figur 5A im wesentlichen dieselbe Anordnung und Funktion wie
jene von Figur 4, und deshalb sind dieselben Teile der
Ausführungsform von Figur 5A und jene der Ausführungsform von Figur 4
mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und ist eine Beschreibung
derselben weggelassen.
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MOS-Transistor TrC ist parallel zu Kondensator CP geschaltet (d.
h. MOS-Transistor TrC ist auch zwischen das Gate des schützenden
MOS-Transistors TrP und den Schutzwiderstand RP geschaltet). Der
MOS-Transistor TrC ist beispielsweise ein N-Kanal-Transistor vom
Anreicherungstyp. Die Source von Transistor TrC ist mit einem
dritten Anschluß 43 der Wechselschaltung 40 verbunden, welcher
mit dem Gate des schützenden MOS-Transistors TrP verbunden ist.
Das Gate und der Drain des Transistors TrC sind miteinander und
mit einem vierten Anschluß 44 der Wechselschaltung 40 verbunden,
welcher mit einem fünften Anschluß 15 der Schutzschaltung 10
verbunden ist. Der fünfte Anschluß 15 ist mit dem
Eingangsanschluß 100 über den Schutzwiderstand RP verbunden.
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Wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist, ist der schützende
MOSTransistor TrP leitfähig, weil Transistor TrP vom Verarmungstyp
ist. Wenn übermäßig hohe Stromstöße am Eingangsanschluß 100
auftreten, wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist, dann werden
die Stöße schnell über den Source-Drain-Stromweg des schützenden
MOS-Transistors TrP abgeleitet.
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Zu diesem Zeitpunkt wird die Leitfähigkeit von Transistor TrP
groß, weil Strom, der sowohl durch den Kondensator CP als auch
durch den MOS-Transistor TrC fließt, den Gate-Spannungspegel von
Transistor TrP erhöht, was die Leitfähigkeit vergrößert. Wenn
ein Stromstoß über einen längeren Zeitraum andauert und die
Wechselschaltung nur aus Kondensator CP besteht, dann verringert
sich der Gate-Spannungspegel des schützenden MOS-Transistors TrP
allmählich als Folge von Kriechstrom. Jedoch wird die Gate-
Spannung des schützenden MOS-Transistors TrP bei der
Ausführungsform von Figur 5A auf einem Spannungspegel von nicht
weniger als
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(V&sub1;&sub5;- Vthc )
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gehalten, wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist, weil bei
dieser Ausführungsform der MOS-Transistor TrC verwendet wird.
[V&sub1;&sub5; ist ein Spannungspegel kleiner als der Stoßpegel am fünften
Anschluß 15 der Schutzschaltung 10. Vthc ist die
Schwellenspannung von MOS-Transistor TrC].
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Deshalb wird die Leitfähigkeit des schützenden MOS-Transistors
TrP groß gehalten, wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist,
selbst dann, wenn Stöße über einen längeren Zeitraum fortdauern.
Im Ergebnis dessen werden Stöße viel schneller und leicht über
den Source-Drain-Stromweg abgeleitet, dessen Leitfähigkeit groß
ist, selbst dann, wenn die Stöße über einen langen Zeitraum
abgeschalteter Energiezufuhr fortdauern. Dementsprechend wird
das Gate von Eingangs-MOS-Transistor TrI wirksamer gegen ein
Durchschlagen geschützt.
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Wenn die Energiezufuhr eingeschaltet ist, dann ist der
schaltende MOS-Transistor TrS leitfähig und wird die Steuerspannung VC
(=-3V) dem Gate des schützenden MOS-Transistors TrP zugeführt.
Deshalb wird der schützende MOS-Transistor TrP nichtleitend
gehalten.
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Zu diesem Zeitpunkt sollte der MOS-Transistor TrC auch
nichtleitend gehalten werden. Deshalb wird die Schwellenspannung Vthc
von Transistor TrC so gewählt, dar sie die folgende Bedingung
erfüllt:
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Vinh-Vc < Vthc
-
[Vinh ist ein hohes Spannungssignal des Eingangssignals Vin, wenn
die Energiezufuhr eingeschaltet ist, und ist generell (VDD +
1V).]
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Wenn die Schwellenspannung Vthc die vorstehende Bedingung
erfüllt, dann wird der MOS-Transistor TrC nicht leitfähig. Deshalb
beeinflußt weder der Transistor TrC noch der Transistor TrP die
Funktion von Eingangs-MOS-Transistor TrI, wenn die Energiezufuhr
eingeschaltet ist.
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Bei der Ausführungsform von Figur 5A wird aus der vorstehenden
Beschreibung offensichtlich, daß das Gate-Oxid von Eingangs-MOS-
Transistor TrI ausreichend geschützt ist, wenn die Energiezufuhr
abgeschaltet ist, weil die Schutzschaltung 10 so funktioniert,
daß das Gate von Eingangs-MOS-Transistor TrI mit einem
Bezugsspannungspegel VSS (z. B. Masse) verbunden wird, wenn die
Energiezufuhr abgeschaltet ist. Weiterhin wird als Ergebnis der
Wechselschaltung 40 die Leitfähigkeit von Transistor TrP im
Verlauf von Stößen groß, um das Gate von Transistor TrI vor
einem Durchschlagen zu schützen. Auch wird die Leitfähigkeit von
Transistor TrP selbst dann groß gehalten, wenn Stöße über einen
langen Zeitraum fortdauern, weil die Wechselschaltung 40 den
Transistor TrC einschließt. Zusätzlich kann die Größe von
Transistor TrP gering gemacht werden, weil die Leitfähigkeit von
Transistor TrP groß wird.
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Obwohl die Wechselschaltung 40 sowohl den Kondensator CP als auch
den Transistor TrC bei der Ausführungsform von Figur 5A umfaßt,
kann die Wechselschaltung 40 nur den Transistor TrC umfassen,
und wenn sie derart ausgeführt ist, ist der Transistor TrC in
der Lage, die Leitfähigkeit von Transistor TrP effektiv groß zu
machen. Jedoch ist eine Wechselschaltung 40, die sowohl den
Kondensator CP als auch den Transistor TrC umfaßt, einer
Wechselschaltung 40 vorzuziehen, die nur den Kondensator CP oder den
Transistor TrC umfaßt.
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Bei der Ausführungsform von Figur 5A ist nur ein MOS-Transistor
TrC zwischen Anschluß 43 und Anschluß 44 von Wechselschaltung 40
geschaltet. Dies braucht nicht der Fall zu sein. Statt dessen
kann eine Vielzahl von Transistoren anstelle des einzelnen MOS-
Transistors verwendet werden. Figur 5B zeigt eine
MOS-Transistorschaltung mit Schutzschaltung 10, die eine Vielzahl von
MOS-Transistoren zwischen Anschluß 43 und Anschluß 44 der
Wechselschaltung 40 einschließt.
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So kann der einzelne MOS-Transistor TrC, der bei der
Ausführungsform von Figur 5A verwendet wird, durch eine Vielzahl von
MOS-Transistoren TrC&sub1;, TrC&sub2;,...., TrCn ersetzt werden, wie in
Figur 5B gezeigt. Ansonsten ist die Schaltung in Figur 5B nach
Konfiguration und Funktion im wesentlichen dieselbe, wie jene
von Figur 5A, so daß dieselben Teile der Schaltungen in Figur 5B
und Figur 5A dieselben Bezugszeichen haben und nicht noch einmal
beschrieben werden.
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Jeder der MOS-Transistoren TrC&sub1;, TrC&sub2;,...., TrCn ist zum Beispiel
ein N-Kanal-Transistor vom Anreicherungstyp, der eine Source,
einen Drain und ein Gate hat. Das Gate und der Drain jedes der
Transistoren TrC&sub1;, TrC&sub2;,..., TrCn sind miteinander verbunden.
Die Source-Drain-Stromwege der MOS-Transistoren TrC&sub1;, TrC&sub2;,....,
TrCn sind in Reihe zwischen Anschluß 43 und Anschluß 44 von
Wechselschaltung 40 geschaltet.
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Wenn übermäßig große Stromstöße über einen langen Zeitraum
andauern, wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist, dann wird der
Gate-Spannungspegel des schützenden MOS-Transistors TrP auf
einem Spannungspegel gehalten, der nicht kleiner als
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ist. [V&sub1;&sub5; ist ein Spannungspegel größer als der Stoßpegel an
Anschluß 15 von Schutzschaltung 10. Vthck (k = 1, 2, ..., n) ist die
Schwellenspannung von Transistor TrCk (k = 1, 2, ..., n)].
Deshalb wird die Leitfähigkeit von MOS-Transistor TrP groß
gehalten, wenn die Energiezufuhr abgeschaltet ist, selbst dann, wenn
die Stöße über einen langen Zeitraum fortdauern.
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Weiterhin wird der Gate-Spannungspegel des schützenden MOS-
Transistors TrP auf einen höheren Spannungspegel gebracht, was
die Leitfähigkeit des schützenden MOS-Transistors TrP größer
macht, ohne die Schwellenspannung Vthck (k = 1, 2, ..., n) der
entsprechenden MOS-Transistoren TrC&sub1;, TrC&sub2;, ..., TrCn zu erhöhen,
weil eine Vielzahl leicht zu bildender MOS-Transistoren in der
Wechselschaltung 40 verwendet wird.
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Die entsprechenden Schwellenspannungen Vthck (k = 1, 2, ...., n)
müssen mit der folgenden Bedingung in Übereinstimmung stehen:
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[Vinh ist ein hohes Spannungssignal des Eingangssignals Vin, wenn
die Energiezufuhr eingeschaltet ist, und ist generell (VDD + 1
V).
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Wenn die vorstehende Bedingung erfüllt ist, fließt kein Strom
von dem Signaleingangsanschluß 100 zu einer Source (z. B. einer
Schaltung zur Erzeugung eines Steuerspannungspegels) des
Steuerspannungspegels VC, wenn die Energiezufuhr eingeschaltet ist.
Dementsprechend arbeitet der Eingangs-MOS-Transistor TrI ohne
Beeinflussung, wenn die Energiezufuhr eingeschaltet ist.
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Wie vorstehend erwähnt, sorgt diese Erfindung für eine
verbesserte MOS-Transistorschaltung mit schützenden Mitteln für das
Gate-Oxid eines Eingangs-MOS-Transistors gegen einen Durchschlag
als Folge übermäßig hoher Stromstöße. Diese Erfindung kann
ebenso bei einer Ausgangs-MOS-Transistor- wie bei einer Eingangs-
Transistorschaltung zur Anwendung kommen, wie in Figur 6 gezeigt
wird. Eine Ausgangs-MOS-Transistorschaltung 6 erzeugt ein
Ausgangssignal Vout nach außen von einer integrierten Schaltung über
einen Signalausgangspfad 600. Die
Ausgangs-MOS-Transistorschaltung 6 kann zum Beispiel eine Gegentaktschaltung sein. Die
Ausgangs-MOS-Transistorschaltung 6 umfaßt zum Beispiel einen ersten
Ausgangs-MOS-Transistor Tr0&sub1; und einen zweiten
Ausgangs-MOS-Transistor Tr0&sub2;. Der erste Ausgangs-MOS-Transistor Tr0&sub1; ist zum
Beispiel ein N-Kanal-Transistor vom Anreicherungstyp. Die
Schwellenspannung von Transistor Tr0&sub1; beträgt beispielsweise 0,8
V. Transistor Tr0&sub1; hat einen Drain, der mit einem positiven
Spannungspegel VDD (z.B. 5 V) verbunden ist, eine Source und das
Gate, um ein Signal VSIG zu empfangen, das in einer (nicht
gezeigten) internen Schaltung erzeugt wird.
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Die Source von Transistor Tr0&sub1; ist mit dem Drain des zweiten
Ausgangs-MOS-Transistors Tr0&sub2; verbunden. Die Source von
Transistor Tr0&sub2; ist mit einem Bezugsspannungspegel VSS (z.B. Masse)
verbunden. Das Gate von Transistor Tr0&sub2; empfängt ein Signal VSIG,
welches eine invertierte Form von Signal ist. Das
Ausgangssignal Vout wird von dem Drain des zweiten
Ausgangs-MOSTransistors Tr0&sub2; abgegeben.
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Der Drain von Transistor Tr0&sub2; ist mit einem Anschluß eines
Schutzwiderstandes RP verbunden, dessen anderer Anschluß mit dem
Signalausgangsanschluß 600 verbunden ist. Der Schutzwiderstand
RP funktioniert, um übermäßig hohe Stromstöße herabzusetzen,
welche am Signalausgangsanschluß 600 auftreten und ist
beispielsweise aus einen Diffusionshalbleiterbereich gefertigt. Der
Wert von Widerstand RP sollte nicht so groß sein, daß dadurch der
normalerweise erforderliche Ausgangsstrom reduziert wird. Der
Wert von Widerstand RP ist beispielsweise 10 X bis 20 X. Wenn ein
größerer Ausgangsstrom benötigt wird, kann der Widerstand RP
eliminiert werden.
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Die Schutzschaltung 10 ist zwischen den Drain von Transistor Tr0&sub2;
und die Bezugsspannung VSS (z. B. Masse) geschaltet. Die
Schutzschaltung 10 schützt die Gate-Oxide der Transistoren Tr0&sub1; und
Tr0&sub2; vor einem Durchschlagen infolge übermäßig hoher Stromstöße,
welche am Signalausgangsanschluß 600 auftreten,
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Die in Figur 6 benutzte Schutzschaltung 10 hat im wesentlichen
dieselbe Anordnung und Funktion wie jene von Figur 1, deshalb
sind Komponenten der Schutzschaltung 10 in Figur 6 dieselben
Bezugszahlen zugeordnet, wie entsprechenden Komponenten der
Schutzschaltung von Figur 1 und wird deren Beschreibung
weggelassen.
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Wenn eine Energiezufuhr eingeschaltet ist, ist ein erster
Anschluß 11 der Schutzschaltung 10 effektiv mit einem zweiten
Anschluß 12 der Schutzschaltung 10 verbunden (d. h. der Drain
von Ausgangs-MOS-Transistor Tr0&sub2; ist mit dem Bezugsspannungspegel
VSS verbunden). Deshalb werden, selbst wenn übermäßig hohe
Stromstöße am Signalausgangsanschluß 600 auftreten, die Stöße schnell
zum Bezugsspannungspegel VSS über die Schutzschaltung 10 (d.h.
über den Source-Drain-Stromweg eines schützenden MOS-Transistors
TrP) entladen, und das Gate-Oxid der Ausgangs-MOS-Transistoren
Tr0&sub1; und Tr0&sub2; wird vor einem Durchschlagen geschützt.
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Wenn Energie zugeführt wird, ist der Anschluß 11 der
Schutzschaltung 10 von Anschluß 12 der Schutzschaltung 10 getrennt.
Deshalb wird die Funktion der Ausgangs-MOS-Transistorschaltung
6 nicht durch die Schutzschaltung 10 beeinflußt.
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Wie für jene offensichtlich ist, die übliche Kenntnisse in der
zutreffenden Technik haben, kann die Schutzschaltung 10 eine
Wechselschaltung 40 einschließen, wie sie in Figur 4, Figur 5A
oder Figur 5B gezeigt wird, wenn sie in Verbindung mit einer
Ausgangsschaltung, wie sie in Figur 6 gezeigt wird, verwendet
wird.
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Offensichtlich sind viele Modifikationen und Abänderungen bei
dieser Erfindung im Licht der vorstehenden Erläuterungen
möglich. Es ist deshalb selbstverständlich, daß innerhalb des
Geltungsbereiches der beigefügten Ansprüche diese Erfindung auch in
anderer Weise praktiziert werden kann, als speziell beschrieben.